CN110231083A - 一种检测水下尾流特征的仿生传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种检测水下尾流特征的仿生传感器及其制造方法，包括仿海豹胡须组件、底座、固定座、应变式电阻传感器等。本发明的有益效果在于：1)重量轻，价格低廉，功耗低，体积小；2)采用了仿海豹胡须组件，能够减少仿海豹胡须组件自身产生的涡流，使得应变式电阻传感器能够快速准确的检测到水下尾流特征；3)通过仿海豹胡须组件与应变式电阻传感器的集成使用，提高了检测的灵敏度及精度，满足了检测水下尾流特征的特殊要求，具有显著的经济、军事效益。

Description

一种检测水下尾流特征的仿生传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种检测水下尾流特征的仿生传感器及其制造方法。
背景技术
尾流检测感知措施主要有三种：水声监测、气泡检测及光学遥感监测。水声检测需要声纳获取水下航行物信息，随着现代水声对抗及反对抗的发展，尤其是多数潜艇采用消声瓦装置后，声呐工作频率下降到3kHz以下，在基阵尺寸、敏感度和重量受到严格限制的声呐系统带来了极大设计的困难。气泡检测受海洋水流自身的散射干扰，同时感知器件自身产生光发射，易暴露自身目标，无法快速准确的检测到水下尾流特征。光学遥感检测易受到天气条件、复杂海况等客观条件的影响，并且光学遥感检测作为一种主动遥感技术，无法做到全天候监控，同时由于光学遥感图像的复杂性，单纯的图像处理很难实现舰船目标的分类识别，使得检测到的尾流特征精度及准确性不高。
无人水下航行器主要以光学和声呐传感器为主，受内部空间、有效负载功率限制，要求探测传感器重量轻、价格低廉、功耗低、体积小，并且感知复杂水下环境，传统的光学和声呐传感器难以满足要求。水下航行物采用反探测技术，使得传统光学、声学感知的感知技术作用十分有限，因此对于如何有效检测感知水下航行物提出了新的挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供一种检测水下尾流特征的仿生传感器，该仿生传感器具有重量轻，可以快速准确地检测到水下尾流特征，且检测的灵敏度及精度高。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：包括由软性材料制成的仿海豹胡须组件以及与仿海豹胡须组件形成一体结构的底座，还包括与水下机器人或船只相固定的固定座，所述的底座与固定座之间设有应变式电阻传感器，所述的应变式电阻传感器通过信号线与检测电路相连，所述的底座通过螺栓居中连接于固定座的上表面，且底座的下表面与固定座的上表面之间形成密封配合，当底座与固定座处于固定状态时，应变式电阻传感器应与底座的下表面紧密贴合。
所述的仿海豹胡须组件整体呈截面为椭圆形的柱状体，且柱状体的侧面为正弦波状的波浪面。
所述仿海豹胡须组件的波峰长轴a取值范围为0.525～5.25mm；所述仿海豹胡须组件的波峰短轴b取值范围为0.178～1.178mm；所述仿海豹胡须组件的波谷长轴k取值范围为0.415～4.15mm；所述仿海豹胡须组件的波谷短轴l取值范围为0.219～2.19mm；所述仿海豹胡须组件的轴距m取值范围为1.724～17.24mm。
所述固定座上表面的中心位置设有容纳应变式电阻传感器的凹槽，所述的应变式电阻传感器粘贴在凹槽内，且应变式电阻传感器的上表面与底座的下表面相贴合，所述固定座的上表面还设有与凹槽连通的引线槽，所述的信号线卡设在引线槽内并通过引线槽引出。
所述的仿海豹胡须组件采用光敏树脂制成。
所述的底座及固定座采用工程塑料制成。
本发明的另一目的在于提供一种检测水下尾流特征的仿生传感器的制造方法，包括如下步骤：
步骤1：采用熔融沉积的方法制造底座；
步骤2：在底座的上表面利用紫外光实时固化制造仿海豹胡须组件；
步骤3：采用熔融沉积的方法制造固定座；
步骤4：制造对形变具有敏感作用的应变式电阻传感器，并形成检测电路；
步骤5：将应变式电阻传感器与固定座上表面的中间部位粘结，信号线经引线槽引出；
步骤6：将底座与固定座通过螺栓连接进行固定。
本发明的有益效果在于：1)重量轻，价格低廉，功耗低，体积小；2)采用了仿海豹胡须组件，能够减少仿海豹胡须组件自身产生的涡流，使得应变式电阻传感器能够快速准确的检测到水下尾流特征；3)通过仿海豹胡须组件与应变式电阻传感器的集成使用，提高了检测的灵敏度及精度，满足了检测水下尾流特征的特殊要求，具有显著的经济、军事效益。
附图说明
图1是本发明的立体一结构示意图；
图2是本发明的主视图；
图3是图2的俯视图；
图4是图2的右视图；
图5是图4的A-A剖视图；
图6是本发明仿海豹胡须组件的主视图；
图7是图6的右视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1～图5所示的一种检测水下尾流特征的仿生传感器，包括由软性材料制成的仿海豹胡须组件1以及与仿海豹胡须组件1形成一体结构的底座2，还包括与水下机器人或船只相固定的固定座3，底座2与固定座3之间设有应变式电阻传感器4，应变式电阻传感器4通过信号线与检测电路相连，底座2通过螺栓居中连接于固定座3的上表面，且底座2的下表面与固定座3的上表面之间形成密封配合，当底座2与固定座3处于固定状态时，应变式电阻传感器4应与底座2的下表面紧密贴合。本发明中检测电路的具体连接结构可参见现有技术，在此不再赘述。
进一步的，仿海豹胡须组件1整体呈截面为椭圆形的柱状体，且柱状体的侧面为正弦波状的波浪面。海豹胡须具有特殊的波浪起伏状，具有卓越的感知能力，并且能够通过使用它们的胡须来捕捉周围环境的微小扰动。本发明的仿海豹胡须组件1采用了海豹胡须的独特形状，可以明显减少自身产生的涡流，减小自身对检测产生的噪音，极大提高了检测水下尾流特征的仿生传感器的灵敏度与精度，一定程度上满足了水下复杂环境中对尾流感知的特殊要求。
具体的，如图6、图7所示，仿海豹胡须组件1的波峰长轴a取值范围为0.525～5.25mm；仿海豹胡须组件1的波峰短轴b取值范围为0.178～1.178mm；仿海豹胡须组件1的波谷长轴k取值范围为0.415～4.15mm；仿海豹胡须组件1的波谷短轴l取值范围为0.219～2.19mm；仿海豹胡须组件1的轴距m取值范围为1.724～17.24mm。
上述仿海豹胡须组件的参数，其取值下限来源于真实海豹胡须数据，上限放大10倍。经仿真分析，在此取值范围之内能够有效的减少卡门涡街的形成，相比于圆柱形状胡须，能量谱密度明显降低，能够减少自身产生的涡激振动，具有良好的流体动力特征。若低于此取值范围，对加工要求较高，难以控制成本；若高于此范围，仿海豹胡须组件自身产生的振动较为明显，会形成扰动信号，降低灵敏度与精度。
进一步的，固定座3上表面的中心位置设有容纳应变式电阻传感器4的凹槽31，应变式电阻传感器4粘贴在凹槽31内，且应变式电阻传感器4的上表面与底座2的下表面相贴合，也就是应变式电阻传感器4的上表面应略高于固定座3的上表面，这样在底座2与固定座3装配固定时，底座2的下表面可以与应变式电阻传感器4的上表面紧密贴合；固定座3的上表面还设有与凹槽31连通的引线槽32，信号线卡设在引线槽32内并通过引线槽32引出。
本发明的实施例中，仿海豹胡须组件1采用光敏树脂制成，底座2及固定座3采用工程塑料制成。
本发明的工作过程及工作原理如下：
当水下航行物经过时会产生尾流，尾流经过仿海豹胡须组件时会引起振动，振动引起应变式电阻传感器产生形变，应变式电阻传感器上的检测电路输出与所受形变成比例的电信号给处理器，处理器获取该信号并进行快速的傅里叶分析可获得尾流主频信号，通过尾流主频信号可以分析水下航行物的速度及大小关系，也可以根据尾流特征进行跟踪。
本发明还提供了一种检测水下尾流特征的仿生传感器的制造方法，包括如下步骤：
步骤1：采用熔融沉积的方法制造底座；
步骤2：在底座的上表面利用紫外光实时固化制造仿海豹胡须组件；
步骤3：采用熔融沉积的方法制造固定座；
步骤4：制造对形变具有敏感作用的应变式电阻传感器，并形成检测电路；
步骤5：将应变式电阻传感器与固定座上表面的中间部位粘结，信号线经引线槽引出；
步骤6：将底座与固定座通过螺栓连接进行固定。
本发明的有益效果在于：1)重量轻，价格低廉，功耗低，体积小；2)采用了仿海豹胡须组件，能够减少仿海豹胡须组件自身产生的涡流，使得应变式电阻传感器能够快速准确的检测到水下尾流特征；3)通过仿海豹胡须组件与应变式电阻传感器的集成使用，提高了检测的灵敏度及精度，满足了检测水下尾流特征的特殊要求，具有显著的经济、军事效益。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种检测水下尾流特征的仿生传感器，其特征在于：包括由软性材料制成的仿海豹胡须组件(1)以及与仿海豹胡须组件(1)形成一体结构的底座(2)，还包括与水下机器人或船只相固定的固定座(3)，所述的底座(2)与固定座(3)之间设有应变式电阻传感器(4)，所述的应变式电阻传感器(4)通过信号线与检测电路相连，所述的底座(2)通过螺栓居中连接于固定座(3)的上表面，且底座(2)的下表面与固定座(3)的上表面之间形成密封配合，当底座(2)与固定座(3)处于固定状态时，应变式电阻传感器(4)应与底座(2)的下表面紧密贴合。
2.根据权利要求1所述的检测水下尾流特征的仿生传感器，其特征在于：所述的仿海豹胡须组件(1)整体呈截面为椭圆形的柱状体，且柱状体的侧面为正弦波状的波浪面。
3.根据权利要求2所述的检测水下尾流特征的仿生传感器，其特征在于：所述仿海豹胡须组件(1)的波峰长轴a取值范围为0.525～5.25mm；所述仿海豹胡须组件(1)的波峰短轴b取值范围为0.178～1.178mm；所述仿海豹胡须组件(1)的波谷长轴k取值范围为0.415～4.15mm；所述仿海豹胡须组件(1)的波谷短轴l取值范围为0.219～2.19mm；所述仿海豹胡须组件(1)的轴距m取值范围为1.724～17.24mm。
4.根据权利要求1所述的检测水下尾流特征的仿生传感器，其特征在于：所述固定座(3)上表面的中心位置设有容纳应变式电阻传感器(4)的凹槽(31)，所述的应变式电阻传感器(4)粘贴在凹槽(31)内，且应变式电阻传感器(4)的上表面与底座(2)的下表面相贴合，所述固定座(3)的上表面还设有与凹槽(31)连通的引线槽(32)，所述的信号线卡设在引线槽(32)内并通过引线槽(32)引出。
5.根据权利要求1所述的检测水下尾流特征的仿生传感器，其特征在于：所述的仿海豹胡须组件(1)采用光敏树脂制成。
6.根据权利要求1所述的检测水下尾流特征的仿生传感器，其特征在于：所述的底座(2)及固定座(3)采用工程塑料制成。
7.一种根据权利要求1～6中任意一项所述的检测水下尾流特征的仿生传感器的制造方法，包括如下步骤：
步骤1：采用熔融沉积的方法制造底座；
步骤2：在底座的上表面利用紫外光实时固化制造仿海豹胡须组件；
步骤3：采用熔融沉积的方法制造固定座；
步骤4：制造对形变具有敏感作用的应变式电阻传感器，并形成检测电路；
步骤5：将应变式电阻传感器与固定座上表面的中间部位粘结，信号线经引线槽引出；
步骤6：将底座与固定座通过螺栓连接进行固定。
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